黃土高原干旱區(qū)關(guān)川河“河長(zhǎng)制”管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

武 雪，牛最榮，張 芮，張永勝，尚小平

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省定西市水利科學(xué)研究所，甘肅 定西 743000）

1 引 言

近年來城鎮(zhèn)化水平提高和人口增長(zhǎng)對(duì)河湖水系生命健康帶來了危機(jī)，化肥、農(nóng)藥、工業(yè)廢水等多種污染物入河湖，加重了河湖負(fù)擔(dān)，使經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾日益凸顯，河湖治理受到社會(huì)各界關(guān)注［1］。2007年無錫市太湖藍(lán)藻暴發(fā)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)仫嬘盟踩?，無錫市政府出臺(tái)了《無錫市河（湖、庫、蕩、氿）斷面水質(zhì)控制目標(biāo)及考核辦法（試行）》［2］，要求黨政負(fù)責(zé)人分別擔(dān)任各河流“河長(zhǎng)”，定期上報(bào)負(fù)責(zé)轄區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，“河長(zhǎng)”這一概念由此而生［3］。 水資源具有整體性、流動(dòng)性、跨域性等特征，水資源的具體管理需要政府、環(huán)境保護(hù)部、水利部等的相互協(xié)調(diào)合作［4］。基于此，2008年江蘇省開始推行“河長(zhǎng)制”，按照劃分的行政區(qū)域分段管護(hù)河湖，之后各省陸續(xù)開展試點(diǎn)工作并取得一定成效［5］。 “河長(zhǎng)制”是水環(huán)境治理中具有行政特性的創(chuàng)新型管理機(jī)制［6］。 為改善河道管理現(xiàn)狀，促進(jìn)河流健康發(fā)展，本文選取關(guān)川河為研究對(duì)象，采用計(jì)算機(jī)、遙感和視頻監(jiān)控等技術(shù)搭建“河長(zhǎng)制”管理信息系統(tǒng)，將單一的信息服務(wù)轉(zhuǎn)向資源共享的協(xié)同服務(wù)，加強(qiáng)部門聯(lián)動(dòng)和水岸聯(lián)動(dòng)機(jī)制，以提升關(guān)川河河道管理效果，推進(jìn)水利信息化建設(shè)。

2 關(guān)川河概況

關(guān)川河位于甘肅省中部，是一條典型的黃土高原干旱區(qū)中小河流，流域面積3 535 km2，1974—2000年多年平均徑流量0.18 億m3，多年平均降水量?jī)H370 mm，水面蒸發(fā)量卻高達(dá)1 400 mm［7］。 汛期洪水峰高量大、暴漲暴落、洪量集中，對(duì)河岸沖刷嚴(yán)重，容易引起河岸崩塌甚至改變河流彎曲程度。 此外，汛期洪水含沙量大，實(shí)測(cè)最大含沙量達(dá)1 060 kg／m3，洪水消退之后河道基流很小，水體自凈能力下降，容易造成河流污染［8］。 關(guān)川河流域植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，1999年開始對(duì)其實(shí)施退耕還林還草工程后，植被覆蓋度有所提高，改變了流域水土流失嚴(yán)重狀況［9］。

3 管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

①采用PHP ＋MySQL 技術(shù)建設(shè)關(guān)川河“河長(zhǎng)制”管理信息系統(tǒng)，該技術(shù)是目前較成熟、穩(wěn)定、安全的企業(yè)級(jí) Web 開發(fā)技術(shù)；②采用 B／S（Browser／Server）架構(gòu)建立系統(tǒng)網(wǎng)站，可以簡(jiǎn)化客戶端電腦載荷；③采用分布式結(jié)構(gòu)開發(fā)系統(tǒng)主程序，便于用戶操作系統(tǒng)界面，實(shí)現(xiàn)資源共享；④在搭建系統(tǒng)核心層時(shí)，根據(jù)需要設(shè)置不同的功能模塊，對(duì)不同模塊的程序分開編寫，可以提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度；⑤通過地圖、列表、動(dòng)態(tài)圖、過程線及文字介紹等多種方式顯示用戶查詢結(jié)果，實(shí)現(xiàn)多用戶并發(fā)訪問。

3.2 系統(tǒng)功能模塊

3.2.1 水文水資源模塊

通過設(shè)置水文水資源模塊監(jiān)測(cè)河道流量閾值，呈現(xiàn)河流年徑流量變化趨勢(shì)，防止河道流量過大形成水害，該模塊包括實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)與預(yù)警、年徑流量變化趨勢(shì)2 個(gè)子模塊。

（1）實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)與預(yù)警子模塊。 該子模塊包括洪水流量、生態(tài)流量監(jiān)測(cè)與預(yù)警。 在洪水流量監(jiān)測(cè)與預(yù)警中，根據(jù)洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算關(guān)川河巉口水文站不同洪水頻率的洪峰流量，可得關(guān)川河巉口水文站10 a 一遇、20 a 一遇、50 a 一遇洪峰流量分別為 426、579、791 m3／s。 根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)洪水流量是否超過河道警戒流量進(jìn)行預(yù)警，即當(dāng)洪水流量超過10 a 一遇洪峰流量426 m3／s 時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警。 關(guān)川河為季節(jié)性河流，旱季斷流、雨季排洪，由于本次監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)洪水流量時(shí)間在1月份，旱季河道已斷流，因此河道洪水流量為 0 m3／s。

在生態(tài)流量監(jiān)測(cè)與預(yù)警中，采用最小月平均徑流法計(jì)算河道最小生態(tài)基流，即對(duì)枯水期河道每月的最小流量求均值可得最小生態(tài)基流，關(guān)川河巉口水文站最小生態(tài)基流為0.22 m3／s。 根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)生態(tài)流量是否超過最小生態(tài)基流進(jìn)行預(yù)警，即當(dāng)流量小于0.22 m3／s 時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，可知監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)流量均大于最小生態(tài)基流。

（2）年徑流量變化趨勢(shì)子模塊。 該子模塊主要根據(jù)已有數(shù)據(jù)資料計(jì)算關(guān)川河的年徑流量，通過分析年徑流量變化趨勢(shì)了解流域水資源概況，以科學(xué)合理地規(guī)劃河道用水。 關(guān)川河巉口水文站共實(shí)測(cè)到關(guān)川河連續(xù)44 a 洪峰流量，符合洪水頻率計(jì)算需要的徑流資料系列長(zhǎng)度。 為準(zhǔn)確計(jì)算年徑流量，需對(duì)關(guān)川河上游東河、西河的徑流資料進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)，東河流域面積791 km2，東河和西河流域總面積1 428 km2，巉口水文站測(cè)驗(yàn)斷面以上流域面積1 640 km2，插補(bǔ)延長(zhǎng)后關(guān)川河的年徑流量變化趨勢(shì)見圖1，經(jīng)計(jì)算，1980—1989年多年平均徑流量為1 730 萬m3，2000年以后年徑流量變化趨勢(shì)較2000 以前相對(duì)平緩，表明退耕還林還草和水土流失治理等項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)關(guān)川河年徑流量產(chǎn)生一定影響。

圖1年徑流量變化趨勢(shì)

3.2.2 水質(zhì)模塊

關(guān)川河流域的土地利用類型以農(nóng)業(yè)用地、工業(yè)用地和城鎮(zhèn)居民用地為主，徑流污染可能包括有機(jī)污染和重金屬污染，因此選取高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、溶解氧、5 d 生化需氧量、氨氮作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)［10］，采用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法和單因子評(píng)價(jià)法對(duì)關(guān)川河水質(zhì)進(jìn)行分析。 在關(guān)川河流域內(nèi)把內(nèi)官鎮(zhèn)先鋒村斷面（上游段，干流長(zhǎng)25.32 km）作為水質(zhì)入境斷面，魯家溝鎮(zhèn)南川村斷面（下游段，干流長(zhǎng)55.28 km）作為水質(zhì)出境斷面，2013—2017年關(guān)川河水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1。分析可知，在汛期和非汛期，溶解氧濃度均表現(xiàn)為入境斷面＞出境斷面，其余4 項(xiàng)指標(biāo)變化與其完全相反，從單項(xiàng)指標(biāo)分析結(jié)果來看，關(guān)川河上游水質(zhì)優(yōu)于下游水質(zhì)。

表1 2013—2017年關(guān)川河水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.2.3 物理結(jié)構(gòu)模塊

物理結(jié)構(gòu)模塊主要由河床沖淤、河流形態(tài)、河流彎曲程度、河岸帶植被覆蓋度4 個(gè)子模塊組成。

（1）河床沖淤子模塊。 收集 1980年、1985年、1990年、1995年、2000年巉口水文站實(shí)測(cè)大斷面河床沖淤變化的相關(guān)數(shù)據(jù)資料以及2015年和2017年大羊營水文站實(shí)測(cè)大斷面河床沖淤變化的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，分別得到巉口水文站和大羊營水文站河底高程變化情況，見圖 2。 分析可知，1980—2000年 20 a 間巉口水文站的河底高程沒有發(fā)生明顯變化，說明河床穩(wěn)定；2015—2017年大羊營水文站河床也基本穩(wěn)定，在起點(diǎn)距17～40 m 之間有輕微的淤積，淤積厚度0.18～0.77 m。

圖2 關(guān)川河巉口水文站、大羊營水文站河底高程變化情況

（2）河流形態(tài)子模塊。 通過了解關(guān)川河河道渠化、人為拓寬、改道和裁彎取直情況，分析河道整體形態(tài)是否有明顯變化，根據(jù)Landsat TM／OLI 遙感影像30 m 空間分辨率數(shù)據(jù)，1990年關(guān)川河河道實(shí)際長(zhǎng)88.02 km，2016年關(guān)川河河道實(shí)際長(zhǎng)80.06 km，裁彎取直7.96 km，河道渠化11.57 km。 其中：上游城區(qū)河段河道實(shí)際長(zhǎng)7.72 km，已全部渠化，河流形態(tài)明顯改變；中游巉口河段河道實(shí)際長(zhǎng)17.06 km，有3.00 km 河道渠化；下游魯家溝河段河道實(shí)際長(zhǎng)55.28 km，有0.85 km 河道渠化，河流形態(tài)沒有明顯變化。 以上結(jié)果說明1990—2016年關(guān)川河河流形態(tài)整體變化不大，僅局部區(qū)域的河流形態(tài)有所改變。

（3）河流彎曲程度子模塊。 通過計(jì)算河流彎曲率Ka分析1990—2016年關(guān)川河的河流彎曲程度變化情況，公式為

式中：L為河道實(shí)際長(zhǎng)度；I為河道直線長(zhǎng)度。

關(guān)川河上游城區(qū)河段河道直線長(zhǎng)度為6.95 km、中游巉口河段河道直線長(zhǎng)度為9.85 km、下游魯家溝河段河道直線長(zhǎng)度為31.59 km，1990—2016年關(guān)川河各河段河道的河流彎曲率計(jì)算結(jié)果見表2。 可知1990—2016年關(guān)川河上游河段河流彎曲率從1.97 下降到1.11，河流彎曲率小于1.30 的河流為平直型河流，雖然對(duì)排洪有利，但不利于河流健康；1990—2016年關(guān)川河中游河段河流彎曲率略微下降；1990—2016年關(guān)川河下游河段河流彎曲率基本沒有變化。

表2 各河段河道實(shí)際長(zhǎng)度與河流彎曲率

（4）河岸帶植被覆蓋度子模塊。 根據(jù)水陸河岸帶邊界線不同將河流劃分為陸域和水域，對(duì)陸域范圍內(nèi)的喬木、灌木、草本植物進(jìn)行植被覆蓋度評(píng)估，基于Landsat TM／OLI 遙感影像30 m 空間分辨率數(shù)據(jù)，周期性提取歸一化植被指數(shù)NDVI，公式為

式中：NIR為近紅外波段的反射值；RED為紅光波段的反射值。

植被覆蓋度FC計(jì)算公式為

式中：NDVIsoil為無植被覆蓋區(qū)域的歸一化植被指數(shù)；NDVIveg為有植被覆蓋區(qū)域的歸一化植被指數(shù)。 植被覆蓋度為0 時(shí)，區(qū)域呈無植被覆蓋；植被覆蓋度為10%～40%時(shí)，區(qū)域呈中度覆蓋；植被覆蓋度為40%～75%時(shí)，區(qū)域呈重度覆蓋。

利用ArcMap 平臺(tái)面積統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算關(guān)川河（干流）及上游城區(qū)河段、中游巉口河段、下游魯家溝河段的植被覆蓋度，結(jié)果見表3。 可知關(guān)川河河岸面積581.56 hm2，植被覆蓋面積296.83 hm2，植被覆蓋度51.04%，上、中、下游河段植被覆蓋度基本為50.00%左右，表明關(guān)川河總體呈重度覆蓋。 關(guān)川河整體河段中喬木覆蓋面積0.25 hm2，植被覆蓋度0.04%；灌木覆蓋面積66.79 hm2，植被覆蓋度11.49%；草本植物覆蓋面積229.79 hm2，植被覆蓋度39.51%。 從覆蓋的植物種類看，草本植物覆蓋面積最大，喬木覆蓋面積最小。

表3 關(guān)川河各河段河岸帶植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)

3.2.4 視頻監(jiān)控模塊

主要在巉口水文站、周家莊、朱家莊和蔡家莊4 個(gè)地區(qū)安裝了5 個(gè)無線傳輸?shù)母咔鍞z像頭，每個(gè)攝像頭都可以變倍、變焦和旋轉(zhuǎn)，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以24 h實(shí)時(shí)查看河道狀況。 砂石是一種重要的建筑材料，維持著河道穩(wěn)定和水沙平衡，關(guān)川河流域內(nèi)砂石儲(chǔ)量較大，多年平均含沙量 223 kg／m3，2014年劃定 6 個(gè)禁采區(qū)、5 個(gè)可采區(qū)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以加強(qiáng)對(duì)砂石的管理，保障河道河勢(shì)穩(wěn)定。 除砂石外，對(duì)涉河建筑物和排污口的監(jiān)控也是加強(qiáng)水環(huán)境安全的重要措施，目前關(guān)川河流域有21 座跨干流橋梁、26 座入河排污口，入河方式包括明渠、暗渠和涵閘，利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)可有效解決河道臟亂差問題，防止河流生態(tài)遭到破壞。

3.2.5 數(shù)據(jù)查詢模塊

數(shù)據(jù)查詢模塊主要由研究區(qū)概況、水文水資源、社會(huì)服務(wù)功能和水生生物等子模塊組成。 用戶通過該模塊可進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，實(shí)時(shí)了解研究區(qū)水文數(shù)據(jù)資料和河流動(dòng)態(tài)，有效整合河道信息，提高“河長(zhǎng)制”管理效率。

3.2.6 后臺(tái)管理模塊

后臺(tái)管理模塊主要針對(duì)系統(tǒng)管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)修改和權(quán)限管理。 數(shù)據(jù)錄入就是管理人員對(duì)數(shù)據(jù)查錯(cuò)以及審核，將審核通過的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)修改就是管理人員對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，如增加、刪除數(shù)據(jù)以及修改錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等；權(quán)限管理就是系統(tǒng)的部分功能只對(duì)特定人員開放，其他人員沒有權(quán)限，有助于對(duì)系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

水資源是影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，建立“河長(zhǎng)制”管理信息系統(tǒng)是促進(jìn)黃土高原干旱地區(qū)中小河流水資源科學(xué)規(guī)劃和合理分配的必要措施。 通過建立關(guān)川河“河長(zhǎng)制”管理信息系統(tǒng)，對(duì)水文水資源、水質(zhì)、物理結(jié)構(gòu)、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢和后臺(tái)管理6 個(gè)模塊進(jìn)行管理與應(yīng)用，以提高河道管理水平和事件處理效率，促進(jìn)水資源管理部門、“河長(zhǎng)”和社會(huì)公眾形成河流治理合力，健全“河長(zhǎng)制”常規(guī)化、長(zhǎng)效化發(fā)展機(jī)制，營造良好的流域水生態(tài)環(huán)境。

4.2 建 議

（1）制作“河長(zhǎng)制”一張圖。 以“河長(zhǎng)制”空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，制作關(guān)川河“河長(zhǎng)制”專題電子地圖，將河流現(xiàn)狀、水利工程建筑物、植被覆蓋現(xiàn)狀等多源信息整合到一張圖上。

（2）進(jìn)一步升級(jí)“河長(zhǎng)制”管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)軟件（APP）、微信公眾號(hào)等多種方式的同步使用。通過微信公眾號(hào)推送最新河流信息，方便社會(huì)群眾及時(shí)了解河流信息，提高公眾參與度。

（3）增加“河長(zhǎng)”考核模塊。 在該模塊設(shè)立考核指標(biāo)，明確考核方式，根據(jù)系統(tǒng)后臺(tái)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，對(duì)被考核人員的工作進(jìn)行評(píng)分。